CN115987115A - 一种抑制电流型pwm整流器输入电流畸变的调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及PWM整流技术领域，公开了一种抑制电流型PWM整流器输入电流畸变的调制方法，包括对电流型PWM整流器输入侧三相输入电压进行相位锁定，得到输入侧三相输入电压频率；将输入侧三相输入电压按30电角度每扇区进行扇区划分，得到扇区切换时间点；根据得到的输入侧三相输入电压频率

和电流型PWM整流器额定载波频率，得到所需载波频率；根据所需载波频率以及扇区切换时间点，得到三角载波信号，通过三角载波信号进行调制，根据生成的驱动信号对整流器各全控开关器件进行开关控制。通过本发明，可以实现有效抑制由调制方法引起的输入电流畸变且降低直流侧输出电流纹波的特征。

Description

一种抑制电流型PWM整流器输入电流畸变的调制方法

技术领域

本发明涉及PWM整流技术领域，具体是一种抑制电流型PWM整流器输入电流畸变的调制方法。

背景技术

整流电源作为交流与负载设备的接口，其运行性能和工作效率对整个系统的工作状况具有关键性的作用。二极管整流和相控整流都会导致输入电流严重畸变，为整个系统带来严重的谐波污染问题；减小整流电源的电流谐波含量，提高功率因数，对提高整个系统工作效率来说至关重要。

PWM整流器可以保证三相输入电流平衡且正弦，同时为后级用电设备提供稳定的直流电压，因此PWM整流器被广泛应用于对输入电流谐波、功率因数、系统效率与功率密度有苛刻要求的变流应用场合，比如：航空电源、电动汽车充电桩、智能电网、新能源制氢等领域。

PWM整流器通常分为电压型PWM整流器与电流型PWM整流器。电压型PWM整流器具有成本低、控制简单、效率高、输入电流总谐波失真小等优势，在工业界得到广泛的应用。电流型PWM整流器以电感作为储能元件，具有输出电压范围宽、启动电流小且不存在浪涌电流、可靠的短路电流限制能力等优势，同样具有广泛的应用前景。

在电流型PWM整流器调制方法中，现有的十二扇区空间脉冲宽度调制方法有高的直流电压或电流利用率，灵活多样的数字实现方式，最低的开关损耗，一直是电流型PWM整流器调制方法的首选。但现有十二扇区空间脉冲宽度调制方法在扇区交界处驱动信号存在不规则脉冲，导致输入电流在扇区切换时出现电流畸变，使输入电流偏离正弦，对前级交流电源造成了谐波污染，也增加了直流侧输出电流纹波，降低了效率。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种抑制电流型PWM整流器输入电流畸变的调制方法，包括如下步骤：

步骤一，对电流型PWM整流器输入侧三相输入电压、和进行相位锁定，通过锁相得到输入侧三相输入电压频率；

步骤二，将输入侧三相输入电压按30电角度每扇区进行扇区划分，将三相输入电压周期按逆时针方向划分为12个扇区，得到扇区切换时间点；

步骤三，根据得到的输入侧三相输入电压频率和电流型PWM整流器额定载波频率，得到所需载波频率；

步骤四，根据所需载波频率以及扇区切换的时间点，生成三角载波信号Ut，通过三角载波信号Ut进行调制，生成对应桥臂上开关管的驱动信号，根据生成的驱动信号对整流器各全控开关器件进行开关控制。

进一步的，所述的对电流型PWM整流器输入侧三相输入电压、和进行相位锁定，通过锁相得到输入侧三相输入电压频率，包括：

步骤一，将三相输入电压、和通过Clark变换、Park变换分解为Ud、Uq；

步骤二，将Uq输入PI调节器，输出角频率；

步骤三，角频率经过积分，得到角度，用于下一次Park变换；

步骤四，通过得到输入侧三相输入电压频率。

进一步的，所述的根据得到的输入侧三相输入电压频率和电流型PWM整流器额定载波频率，得到所需载波频率，包括：

所述载波频率计算公式为

,

式中为电流型PWM整流器额定载波频率，为输入侧三相输入电压频率，符号表示向下取整，符号表示向上取整;计算得出频率为输入电压频率乘以扇区数的整数倍，从而使每个扇区包含载波周期的数量为整数。

进一步的，所述的根据所需载波频率以及扇区切换的时间点，生成三角载波信号Ut，具体实现方式为：

使用计数器生成三角载波信号Ut，初始计数器计数方向为递增，计数器计数值达到设定峰值后，计数器计数方向转为递减，计数值递减到0后，再转为递增，循环往复，生成三角载波信号；其中，通过设定生成三角载波信号Ut所使用计数器的峰值，使三角载波信号Ut的载波频率为；再通过每次扇区切换时，强制生成三角载波信号Ut所使用计数器清零，使三角载波信号Ut周期开始点与扇区切换的时间点重合。

进一步的，所述的通过三角载波信号Ut进行调制，生成对应桥臂上开关管的驱动信号，包括：

步骤一，通过输入电压、和所在扇区，确定调制使用的整流器工作模态；

步骤二，根据输出电压、输入电压、和确定整流器各个工作模态持续时间；

步骤三，根据各个工作模态持续时间，生成三相调制波；

步骤四，将三相调制波与三角载波信号Ut进行比较，三相调制波的值大于三角载波信号Ut时，生成对应桥臂上开关管的驱动信号为1，三相调制波的值小于等于三角载波信号Ut时，生成对应桥臂上开关管的驱动信号为0。

本发明的有益效果是：通过本发明所提供的调制方法，可以实现有效抑制由调制方法引起的输入电流畸变且降低直流侧输出电流纹波的特征。

附图说明

图1为一种抑制电流型PWM整流器输入电流畸变的调制方法流程示意图；

图2为一种抑制电流型PWM整流器输入电流畸变的调制系统结构示意图；

图3为一种抑制电流型PWM整流器输入电流畸变的调制方法下，生成三角载波信号Ut与输入电压对应扇区序号示意图；

图4为十二扇区空间脉矢量调制方法下输入三相电流波形示意图；

图5为一种抑制电流型PWM整流器输入电流畸变的调制方法下的输入三相电流波形示意图；

图6为相同功率、负载、电路拓扑工况下，分别使用现有十二扇区调制、本发明提出调制方法下直流侧输出电流波形示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

而且，术语“包括”，“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程，方法，物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程，方法，物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程，方法，物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

如图1所示，一种抑制电流型PWM整流器输入电流畸变的调制方法，包括如下步骤：

步骤一，对电流型PWM整流器输入侧三相输入电压、和进行相位锁定，通过锁相得到输入侧三相输入电压频率；

步骤二，将输入侧三相输入电压按30电角度每扇区进行扇区划分，将三相输入电压周期按逆时针方向划分为12个扇区，得到扇区切换时间点；

步骤三，根据得到的输入侧三相输入电压频率和电流型PWM整流器额定载波频率，得到所需载波频率；

步骤四，根据所需载波频率以及扇区切换的时间点，生成三角载波信号Ut，通过三角载波信号Ut进行调制，生成对应桥臂上开关管的驱动信号，根据生成的驱动信号对整流器各全控开关器件进行开关控制。

进一步的，所述的对电流型PWM整流器输入侧三相输入电压、和进行相位锁定，通过锁相得到输入侧三相输入电压频率，包括：

步骤一，将三相输入电压、和通过Clark变换、Park变换分解为Ud、Uq；

步骤二，将Uq输入PI调节器，输出角频率；

步骤三，角频率经过积分，得到角度，用于下一次Park变换；

步骤四，通过得到输入侧三相输入电压频率。

进一步的，所述的根据得到的输入侧三相输入电压频率和电流型PWM整流器额定载波频率，得到所需载波频率，包括：

所述载波频率计算公式为

,

式中为电流型PWM整流器额定载波频率，为输入侧三相输入电压频率，符号表示向下取整，符号表示向上取整;计算得出频率为输入电压频率乘以扇区数的整数倍，从而使每个扇区包含载波周期的数量为整数。

进一步的，所述的根据所需载波频率以及扇区切换的时间点，生成三角载波信号Ut，具体实现方式为：

使用计数器生成三角载波信号Ut，初始计数器计数方向为递增，计数器计数值达到设定峰值后，计数器计数方向转为递减，计数值递减到0后，再转为递增，循环往复，生成三角载波信号；其中，通过设定生成三角载波信号Ut所使用计数器的峰值，使三角载波信号Ut的载波频率为；再通过每次扇区切换时，强制生成三角载波信号Ut所使用计数器清零，使三角载波信号Ut周期开始点与扇区切换的时间点重合。

进一步的，所述的通过三角载波信号Ut进行调制，生成对应桥臂上开关管的驱动信号，包括：

步骤一，通过输入电压、和所在扇区，确定调制使用的整流器工作模态；

步骤二，根据输出电压、输入电压、和确定整流器各个工作模态持续时间；

步骤三，根据各个工作模态持续时间，生成三相调制波；

步骤四，将三相调制波与三角载波信号Ut进行比较，三相调制波的值大于三角载波信号Ut时，生成对应桥臂上开关管的驱动信号为1，三相调制波的值小于等于三角载波信号Ut时，生成对应桥臂上开关管的驱动信号为0。

具体的，一种抑制电流型PWM整流器输入电流畸变的调制系统，如图2所示，其中，电流型PWM整流器包括由电感和电容构成的输入（交流侧）LC滤波结构，起到滤除整流器网侧电流开关频率谐波的作用；由全控开关管构成的电流型PWM整流器，其中每个开关管与二极管串联，从而提高器件的电压反向阻塞能力；由输出电感和负载组成的直流侧电路，实现输出电流稳定。

具体调制方法包括以下步骤：

步骤1、对三相输入侧电压、和进行相位锁定，通过锁相得到输入侧三相输入电压频率；

步骤2、将三相输入电压按30电角度每扇区进行扇区划分，将一个输入电压周期按逆时针方向划分为12个扇区；

步骤3、根据步骤1所得到输入侧三相输入电压频率和电流型PWM整流器额定载波频率计算得出所需载波频率；

步骤4、构造三角载波信号Ut，载波频率为，三角载波信号Ut的谷点与扇区切换点重合；

步骤5、使用步骤4得到的三角载波信号Ut进行调制，生成对应桥臂上开关管的驱动信号，从而对整流器各全控开关器件进行开关控制。

具体的，整流器开关器件驱动信号生成方法为十二扇区空间矢量调制方法；

具体的，所述载波频率计算公式为

,

式中为电流型PWM整流器额定载波频率，为输入侧三相输入电压频率，符号表示向下取整，符号表示向上取整。计算得出频率为输入电压频率乘以扇区数的整数倍，从而使每个扇区包含载波周期的数量为整数。

所述载波频率计算公式即为求出频率为输入电压频率乘以扇区数的整数倍，且与整流器额定开关频率相差最小的开关频率。

具体的，所述三相调制信号位置调整方法的实现方式为：在数字控制器中，当第一次扇区切换时，进入软件中断，将生成三角载波信号Ut所使用的计数器清零，使此处三角载波信号Ut对应为谷底；同时由于每个扇区内载波周期的数量为整数，之后每次扇区切换点都与三角载波信号Ut的谷底重合。

图3为本发明中，所生成三角载波信号Ut与输入电压对应扇区的位置关系，可以看出，每个扇区内的载波周期数为整数且扇区切换点与三角载波信号Ut的谷底重合。

图4为现有十二扇区空间矢量调制方法下输入三相电流波形，从波形中可以看出，此时输入电流在扇区交界处出现明显的电流畸变现象，谐波含量较大。

图5为相同功率、负载、电路拓扑工况下，本发明提出调制方法下输入三相电流波形，按照具体实施过程中的硬件设计和调制方法仿真验证，从中可以看出扇区交界处的电流畸变被有效抑制，输入电流更接近正弦，谐波含量小，对输入电源带来的谐波污染更小。

图6为相同功率、负载、电路拓扑工况下，分别使用现有十二扇区调制和本发明提出调制方法下直流侧输出电流波形，比较波形可以得到，采用本发明所述调制方法时，输出电流纹波更小，输出电能质量高。

本发明通过在电流型PWM整流器调制时选取合适的载波频率以及载波与扇区切换的时间点的相对位置，以消除因为调制方式造成的在扇区交界处的不规则驱动信号，从而有效抑制因此造成的输入电流畸变，降低输入侧谐波含量，进而减少对前级电源的谐波污染。本发明所提出的调制方法算法简单、易于实现，无需额外硬件设备，可以有效降低整流器的输入电流谐波畸变率，同时降低输出电流纹波，提高效率。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种抑制电流型PWM整流器输入电流畸变的调制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，对电流型PWM整流器输入侧三相输入电压 、和进行相位锁定，通过锁相得到输入侧三相输入电压频率；

步骤二，将输入侧三相输入电压按30电角度每扇区进行扇区划分，将三相输入电压周期按逆时针方向划分为12个扇区，得到扇区切换时间点；

步骤三，根据得到的输入侧三相输入电压频率和电流型PWM整流器额定载波频率，得到所需载波频率；

步骤四，根据所需载波频率以及扇区切换的时间点，生成三角载波信号Ut，通过三角载波信号Ut进行调制，生成对应桥臂上开关管的驱动信号，根据生成的驱动信号对整流器各全控开关器件进行开关控制。

2.根据权利要求1所述的一种抑制电流型PWM整流器输入电流畸变的调制方法，其特征在于，所述的对电流型PWM整流器输入侧三相输入电压、和进行相位锁定，通过锁相得到输入侧三相输入电压频率，包括：

步骤一，将三相输入电压、和通过Clark变换、Park变换分解为Ud、Uq；

步骤二，将Uq输入PI调节器，输出角频率；

步骤三，角频率经过积分，得到角度，用于下一次Park变换；

步骤四，通过得到输入侧三相输入电压频率。

3.根据权利要求2所述的一种抑制电流型PWM整流器输入电流畸变的调制方法，其特征在于，所述的根据得到的输入侧三相输入电压频率和电流型PWM整流器额定载波频率，得到所需载波频率，包括：

所述载波频率计算公式为

，

式中为电流型PWM整流器额定载波频率，为输入侧三相输入电压频率，符号表示向下取整，符号表示向上取整;计算得出频率为输入电压频率乘以扇区数的整数倍，从而使每个扇区包含载波周期的数量为整数。

4.根据权利要求3所述的一种抑制电流型PWM整流器输入电流畸变的调制方法，其特征在于，所述的根据所需载波频率以及扇区切换的时间点，生成三角载波信号Ut，具体实现方式为：

使用计数器生成三角载波信号Ut，初始计数器计数方向为递增，计数器计数值达到设定峰值后，计数器计数方向转为递减，计数值递减到0后，再转为递增，循环往复，生成三角载波信号；其中，通过设定生成三角载波信号Ut所使用计数器的峰值，使三角载波信号Ut的载波频率为；再通过每次扇区切换时，强制生成三角载波信号Ut所使用计数器清零，使三角载波信号Ut周期开始点与扇区切换的时间点重合。

5.根据权利要求4所述的一种抑制电流型PWM整流器输入电流畸变的调制方法，其特征在于，所述的通过三角载波信号Ut进行调制，生成对应桥臂上开关管的驱动信号，包括：

步骤一，通过输入电压、和所在扇区，确定调制使用的整流器工作模态；

步骤二，根据输出电压、输入电压、和确定整流器各个工作模态持续时间；

步骤三，根据各个工作模态持续时间，生成三相调制波；

步骤四，将三相调制波与三角载波信号Ut进行比较，三相调制波的值大于三角载波信号Ut时，生成对应桥臂上开关管的驱动信号为1，三相调制波的值小于等于三角载波信号Ut时，生成对应桥臂上开关管的驱动信号为0。

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